DE2255736B2

DE2255736B2 - Elektrische Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2255736B2
Application number: DE2255736A
Authority: DE
Inventors: Eugen Hohmann; Bernd Dipl.- Ing. 6140 Bensheim Nickel; Werner Schwarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1972-11-14
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2255736C3; US4041276A; GB1448708A; FR2206642B1; FR2206642A1; IT1001643B; JPS49133795A; DE2255736A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen relativ kleiner Mengen eines strömenden Mediums in zahnärztlichen Geräten unter Verwendung eines in an sich bekannter Weise als Heizelement dienenden steuerbaren Halbleiters.

Bei bekannten Heizvorrichtungen der vorgenannten Gattung finden sog. Heizpatronen Verwendung. Die Heizpatronen bestehen im wesentlichen aus einem Keramikgehäuse, in dem isoliert eine an eine Spannungsquelle anschließbare Glühwendel angeordnet ist Solche Heizvorrichtungen sind insbesondere bei größe-

i» ren Heizleistungen relativ groß, so daß ein Einbau in kleinere Stauräume nur bedingt möglich ist Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß eine Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums mit einer solchen Heizvorrichtung unbefriedigend und nur unter relativ großem Aufwand an zusätzlichen Bauteilen (Bimetallregler usw.), die zudem noch eine zusätzliche Verschleißquelle darstellen, möglich ist

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art anzuge ben, die einfach aufgebaut ist, baulich sehr klein gehalten werden kann und die insbesondere eine gute Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums ermöglicht ohne daß hierzu ein größerer Aufwand an Bauteilen erforderlich ist

-'"» Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß der Halbleiter mit seinem den elektrischen Anschlüssen abgewandten Gehäuseteil in einer Ausnehmung eines aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Gehäuses wenigstens teilweise

J" versenkt angeordnet ist, daß das anschlußseitige Gehäuseteil des Halbleiters von einem Deckel aus ebenfalls gut wärmeleitendem Material bedeckt ist, daß der Deckel ein Wärmetausch-System aus wenigstens einem Kanal zur Aufnahme des zu erwärmenden

^jr' Mediums enthält, daß die elektrischen Anschlüsse des Halbleiters im Deckel isoliert herausgeführt sind und daß am Deckel ein in thermischem Kontakt mit diesem befindliches temperaturabhängiges Steuerglied befestigt ist

■«> Aus der US-Patentschrift 33 00 623 ist es zwar bekannt zur Beheizung von piezoelektrischen Kristallen als Heizelement einen Transistor vorzusehen und diesen von einem zwischen der Basis des Transistors und dem negativen Potential liegenden Heißleiter zu steuern. Bei strömenden Medien, insbesondere Wasser, hat man jedoch steuerbare Heizleiter bisher nicht vorgesehen. Bei zahnärztlichen Geräten hat man bisher stets mehr oder weniger aufwendige (oft unter Inkaufnahme großer Kompromisse) Maßnahmen ge troffen, um die auftretende Wärme an den Halbleitern möglichst rasch an die Umgebungsluft ableiten zu können, weil die bei einem Transistor oder einem anderen steuerbaren Halbleiter auftretende Verlustwärme bisher immer als unerwünscht galt Transistoren

« ordnete man z. B. bewußt an gut gekühlten Stellen in den Geräten oder innerhalb der Schaltungsanordnungen für bestimmte Geräte an. Es wurden sogar zusätzliche Mittel, wie Kühlrippen oder Wärmeableitbleche, vorgesehen, um eine bessere und raschere Wärmeabfuhr ins Freie zu erreichen. Die Erfindung fußt auf dem Gedanken, die bisher bei zahnärztlichen Geräten mit großem Aufwand ungenutzt abgeleitete Wärme eines steuerbaren Halbleiters bewußt zu nutzen und zur Erwärmung eines strömenden Mediums

^h<> heranzuziehen.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Heizvorrichtung ist einfach aufgebaut, in sehr kleine Stauräume unterzubringen und gestattet vor allen Dingen eine gute

Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums. Wegen der guten Regelbarkeit eines Transistors kann mit einem solchen bevorzugt eine sehr gute und genaue Temperaturregelung für das zu erwärmende Medium erreicht werden. Als Steuerglied kann vorteilhafterweise ein Kaltleiter verwendet werden. Die Heizvorrichtung wird dadurch zum selbstregelnden Heizer. Der Kaltleiter läßt bei niedrigen Temperaturen den Transistor öffnen und schaltet damit die Heizung ein. Mit zunehmender Temperatur wird hingegen die ιυ Durchlässigkeit des Transistors mehr und mehr verringert, bis schließlich dieser ganz sperrt und damit die Heizvorrichtung abschaltet Um größere Streuungen bei den Transistoren, die zu unzulässig hohen Kollektorströmen am Transistor führen würden, kornpensieren zu können, ist es vorteilhaft, in Reihe zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors einen Vorwicierstand zur Begrenzung des Kollektorstromes zu schalten, dessen Spannungspotential einen Sieuertransistor zur Steuerung des Basisstromes des Transistors beeinflußt.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung werden nachfolgend in der Beschreibung der Figuren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 die elektrische Heizvorrichtung im Schnitt,

F i g. 2 das elektrische Schaltbild der Heizvorrichtung, F i g. 3 ein Arbeitsdiagramm.

Die F i g. 1 zeigt eine elektrische Heizvorrichtung, die to zum Erwärmen eines durchströmenden flüssigen Mediums bestimmt ist Die Heizvorrichtung enthält einen aus gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Messing, gefertigten Heizerblock 1, an dessen Oberseite in einer entsprechenden Ausfräsung ein Transistor 2 eingesenkt π angeordnet ist. Die Masse des Heizerblocks ist so abgestimmt, daß einerseits eine ausreichend große Wärmekapazität vorhanden ist und andererseits eine gute Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums erzielt werden kann. Die Oberfläche des to Heizerblocks kann mit einem Isoliermantel umgeben sein. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Heizvorrichtung erhöht werden. Auch eine günstige Formgebung des Heizerblocks (z. B. Kugelform) kann dazu beitragen, daß die Wärmeabstrahlung nach außen hin vermindert und damit der Wirkungsgrad des Heizers verbessert wird.

Der Transistor 2 ist mit seinem topfförmigen Gehäuseteil — gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Wärmeleitpaste — mit dem Heizerblock 1 im Sinne einer guten Wärmeleitung verbunden. Auf dem Transistor 2 liegt ein Deckel 3 auf, in dem eine Kammer 4 und ein Kanal 5 eingearbeitet sind. Die elektrischen Anschlüsse 6 des Transistors 2 sind isoliert aus dem Deckel 3 herausgeführt. Das in die Kammer 4 55' einströmende kalte Medium nimmt die vom Transistor abgegebene Wärme auf. Da der Transistor im Bereich seiner elektrischen Anschlüsse 6 sich am stärksten erwärmt und der Deckel 3 relativ dünnwandig und aus gut wärmeleitendem Material gefertigt ist, findet in der t>o Kammer 4 die größte Wärmeabgabe an das Medium statt Auf der Oberseite des Deckels 3 ist ein Kaltleiter 7 angeordnet, der mit seiner einen Seite — gegebenenfalls wieder unter Zwischenlage von Wärmeleitpaste — formschlüssig auf der Oberfläche des Deckels aufliegt, f> Das in der Kammer 4 erwärmte Medium strömt über Kanäle 5, 8 in eine Kammer 9, von wo es über ein Maschenfilter 10 in den Ausgangskanal 11 gelangt. Das Maschenfilter 10 verhindert, daß kleine, im strömenden Medium eventuell enthaltene Partikelchen die oftmals sehr kleinen Ausströmöffnungen der an den Ausgang angeschlossenen Verbraucher verstopfen können. Das Filter 10 kann nach Herausschrauben einer Verschlußschraube 12 leicht ausgewechselt bzw. gereinigt werden. Bei einem geeigneten Gehäusematerial für den Leistungstransistor kann dieser auch direkt vom strömenden Medium umspült werden. Damit lassen sich der Wärmetausch und auch die Regelbarkeit der Heizvorrichtung erheblich verbessern.

Mittels zweier Schrauben 13,14 wird der Deckel 3 auf die anschlußseitige Fläche des Transistors 2 gepreßt, so daß ein guter Wärmeübergang zwischen beiden Teilen gegeben ist. Der Wärmeübergang kann gegebenenfalls auch hier durch Zwischenlage einer Wärmeleitpaste noch verbessert werden. Bei einem Defekt des Transistors kann dieser leicht aus dem Heizerblock 1 ausgebaut und durch einen neuen ersetzt werden. Als Variante kann auch ein Leistungstransistor in Plättchenform, also ohne topfförmigem Gehäuse, verwendet werden. Diese Ausführung ist besonders gut geeignet für den Einbau der Heizvorrichtung in ein zahnärztliches Handstück.

Die F i g. 7 zeigt das Schaltbild der Heizvorrichtung. An der Gleichspannungsquelle Uo liegen in Reihe geschaltet die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 2, eines Leistungstransistors, und ein Vorwiderstand 15. Parallel hierzu liegen — ebenfalls in Reihe geschaltet — der Kaltleiter 7 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors 16. Zwischen der Basis des Steuertransistors 16 und dem Emitter des Leistungstransistors 2 liegt ein regelbarer Widerstand 17. Der Steuertransistor 16 und die beiden Widerstände 15 und 17 sind auf einer in der Darstellung nicht gezeigten Leiterplatte angeordnet, die an der Rückseite des Heizerblocks 1 — mit Abstand zu diesem — angeordnet ist.

Der Kaltleiter 7 liefert den nötigen Basisstrom für den Leistungstransistor 2 und bewirkt die Selbstregelung der Heizvorrichtung. Bei hohem Wasserdurchfluß und kalter Wassertemperatur hat der Transistor 2 eine hohe Leistungsaufnahme (siehe Stromverlauf/im Diagramm in F i g. 3). Der Stromwert liegt bei etwa 4 A. Bei einer bestimmten Temperatur am Kaltleiter 7 (beispielsweise 60°) wird dieser (siehe Widerstandskennlinie R in Fig.3) hochohmig, was zur Folge hat, daß der Kollektorstrom bzw. die Verlustleistung des Leistungstransistors 2 abnimmt. Der Wert des Kaltleiters 2 ist so bemessen, daß bei einem Leistungstransistor mit minimaler Stromverstärkung in etwa ein Kollektorstrom von ca. 4 A fließen kann. Wegen der relativ großen Streuung der Transistoren hinsichtlich ihrer Stromverstärkung ist es notwendig, eine Strombegrenzung vorzusehen. Diese Strombegrenzung übernimmt der Vorwiderstand 15 und der regelbare Widerstand 17. Der Kollektor-Emitter-Strom des Leistungstransistors 2 erzeugt am Vorwiderstand 15 mit etwa 0,22 Ohm Widerstand eine Spannung, die bei Überschreiten eines bestimmten Wertes den Steuertransistor 16 durchsteuert und damit den Basisstrom des Leistungstransistors 2 verringert, und zwar so weit verringert, daß der Steuertransistor 16, bedingt durch die Verringerung des Spannungsabfalles, über den Vorwiderstand 15 gesperrt wird. Damit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, und zwar so lange, bis der Kaltleiter 7 eine andere Temperatur einnimmt. Durch die dünnwandige Ausbildung des Deckels 3 werden vom Kaltleiter 7

Temperaturänderungen im strömenden Medium relativ rasch erfaßt und an das Heizelement, den Leistungstransistor 2, weitergegeben. Eine noch raschere Temperaturregelung kann erzielt werden, wenn, wie in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen wird, das Steuerglied (Kaltleiter) im Leitungskanal des zu erwärmenden Mediums liegt. Mit dem regelbaren Widerstand 17 kann der Einsatz der Strombegrenzung eingestellt werden. Damit lassen sich bei Montage des Heizers Streuungen in den Transistoren, die unvermeidbar sind, weitgehend kompensieren.

Es wird darauf hingewiesen, daß es auch im Rahmen der Erfindung liegt, als Heizelement auch einen anderen steuerbaren Halbleiter als den beschriebenen Transistor zu verwenden. Als temperaturabhängiges Steuerglied kann auch ein Thermoschalter verwendet werden. In Fig.2 ist diese Möglichkeit gestrichelt dargestellt. Mit 18 ist dabei der Thermoschalter und mit 19 ein fester Widerstand bezeichnet, der anstelle des Kaltleiters 7 vorzusehen ist. Auch die Verwendung eines Heißleiters bei entsprechender Änderung des in Fig.2 gezeigten Schaltbildes ist denkbar. Die Heizvorrichtung kann in der zahnärztlichen Technik, z. B. zum Erwärmen von Spraywasser und/oder Luft, die an ein Bohr-, Spritz od. dgl. Handstück geleitet wird, vorgesehen werden. Besondere Vorteile lassen sich erzielen, wenn die Heizvorrichtung im Handstück untergebracht ist. Die Heizleitung braucht wegen der kürzeren Leitungslänge und der dabei auftretenden geringeren Abkühlung des erwärmten Mediums bis zum Behandlungsort nicht so lang zu sein, wie z. B. bei einer Unterbringung der Heizvorrichtung in ein vom Handstück entfernt liegendes Gerät.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen relativ kleiner Mengen eines strömenden Mediums in zahnärztlichen Geräten unter Verwendung eines in an sich bekannter Weise als Heizelement dienenden steuerbaren Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (2) mit seinem den elektrischen Anschlüssen (6) abgewandten Gehäuseteil in einer Ausnehmung eines aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Gehäuses (1) wenigstens teilweise versenkt angeordnet ist daß das anschlußseitige Gehäuseteil des Halbleiters von einem Deckel (3) aus ebenfalls gut wärmeleitendem Material bedeckt ist, daß der Deckel (3) ein Wärmetausch-System aus wenigstens einem Kanal zur Aufnahme des zu erwärmenden Mediums enthält daß die elektrischen Anschlüsse (6) des Halbleiters im Deckel (3) isoliert herausgeführt sind und daß am Deckel (3) ein in thermischem Kontakt mit diesem befindliches temperaturabhängiges Steuerglied (7) befestigt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Nähe des den elektrischen Anschlüssen (6) benachbarten Teils des Halbleiters (2) im Deckel (3) ein Kanal (4) für das in die Kammer einströmende Medium und in Nähe des den elektrischen Anschlüssen (6) abgewandten Teils des Halbleiters (2) im Gehäuse (Heizerblock 1) ein Kanal (5, 8, 9, 10) für das aus der Kammer ausströmende Medium angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß als Heizelement ein Transistor (2) und als Steuerglied (7) ein Kaltleiter verwendbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (2) im Gehäuse (I) herausnehmbar angeordnet ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Emitter Strecke des Transistors (2) ein Vorwiderstand (15) zur Begrenzung des Kollektorstromes in Reihe geschaltet ist, dessen Spannungspotential einen Steuertransistor (16) zur Steuerung des Basisstromes des Transistors (2) beeinflußt

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechwert des Steuertransistors (16) durch einen zwischen seiner Basis und dem Kollektor des Transistors (2) geschalteten regelbaren Widerstand (17) einstellbar ist

7. Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen relativ kleiner Mengen eines in Leitungskanälen eines zahnärztlichen Gerätes geführten strömenden Mediums, unter Verwendung eines in an sich bekannter Weise als Heizelement dienenden Halbleiters, der durch ein temperaturabhängiges Steuerglied gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet daß das Steuerglied (7) im Leitungskanal (4, 5) des strömenden Mediums angeordnet ist

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ein zahnärztliches Handstück mit Kühl- und/oder Spritzmittelabgabe eingebaut ist